静电激发型袋除尘器的机理及应用前景
摘要:静电激发型袋除尘器有别于常规的电袋结合除尘器，其是将电除尘器的预荷电原理作用于烟气后，利用袋除尘器的滤袋做收尘极板来收集粉尘。本文通过分析Max-9TM ESFF的结构介绍了其除尘机理，并分析了它的应用前景。
关键词:电除尘器;袋除尘器;电袋复合除尘器;预荷电;静电激发
1 前言
电除尘器和袋除尘器是目前工业烟气净化设备中最重要的两种除尘设备，两者的除尘机理不同，各有优缺点。为提高烟气净化的效率，降低除尘设备的阻力，将电除尘和袋除尘的机理相结合的除尘器一直在不断的研究中，并有一定的工业应用。
电除尘器和袋除尘器的组合称为电袋复合型除尘器。目前世界上有两种型式的电袋复合除尘器，一种是“前电后袋”的复合型除尘器（COHPAC），即含尘烟气先经电除尘器除尘后，再进入袋除尘器。这种除尘器的主要特点是经电除尘器的预先除尘，降低了进入袋除尘器的粉尘浓度，从而提高了袋除尘器的过滤风速，延长了清灰周期，提高了滤袋寿命。这类除尘器在国内已有工业应用，尤其是在原有电除尘器的改造方面，具有一定的优势。另一种为嵌入式复合型除尘器，典型的是1990年由美国北达科他大学能源与环境研究中心开发的Advanced Hybrid Particulate Collector（AHPC，先进混合型除尘器），在AHPC除尘系统中，没有单独的电除尘器或袋除尘器。在除尘器内部，滤袋的两侧布置了多孔板，该多孔板即电除尘器的极板。烟气在到达滤袋前，首先要流经多孔板，大部分粉尘被除去，真正由滤袋捕集的只是少数（如图1）。这种形式的除尘器在国外有文献报导，在电力行业有所应用。
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图1 先进混合型除尘器
而将电除尘的预荷电的原理作用于粉尘后，再利用袋除尘器进行除尘的技术在国内已有研究。如东北大学设计的静电增强型袋除尘器的样机已于1999年4月投入测试阶段。其基本的原理是在袋除尘器的入口设置荷电器，使进入除尘器的粉尘带有一定的电荷，在滤袋表面产生一定的电场，从而增强纤维对粉尘的捕集力；同时，减轻了清灰力度。但是，由于电晕荷电器远离滤袋的上游，粉尘会丧失电荷而使空间电荷对滤袋表面电场的增强减至可以忽略的程度。
本文主要阐述的静电激发型袋除尘器是指采用了滤袋作为电除尘器的收尘极板，粉尘的过滤又采用了袋除尘技术的一类除尘器。最典型的代表是被 USEPA（美国环保署）命名，且于1993年、2000年申请专利的ESFF（静电激发型袋除尘器）。GE能源部于2003年获得独家特许使用权并商业化后将其命名为Max-9TMESFF（Max-9的意思是指除尘效率最多的9，即静电激发后，除尘效率从99.9+%增加到 99.99+%）。本文将基于Max-9的基本结构阐述其原理和应用情况。
2 Max-9静电激发型袋除尘器的结构
2.1 电除尘器的基本结构（如图2）
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图2 电除尘器的基本结构
放电极由布置在4条均布的滤袋间的电晕线组成，电晕线通过绝缘瓷瓶支撑在花板上，顶部通过钢管式框架连接起来，并与电磁振打器连接在一起，实现放电极的清灰；下部通过导轨连接在一起，导轨通过绝缘瓷瓶固定在箱体上，防止震动清灰和气流上升引起电极的偏移。收尘极由导电的滤袋和袋笼组成，在滤袋中编入导电纤维，为防止电阻过高，影响滤袋和袋笼的放电性能，将每个袋笼帽连接接地电线，防止静电在滤袋上积累，使滤袋周围电火花的发生率几乎为零；在滤袋底部套上固定环，防止气流对滤袋底部的冲击而晃动。
2.2 袋除尘器的基本结构（如图3）
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图3 袋除尘器的基本结构
含尘烟气从灰斗进入滤袋的中间，经过静电激发后的带电粉尘沉积在滤袋表面，粉尘被阻流在滤袋外，过滤后气体通过滤袋中间上升到上箱体，最后从排气口排出。每排滤袋上部均装有一根喷吹管，喷吹管上有喷孔与每条滤袋的中心相对应。控制系统根据阻力大小或一定的时间间隔，控制脉冲阀开启，使高压空气从气包内进入喷射管，而后从喷射孔中以较高速度喷出。高速气流周围形成一个相当于自己体积5～7倍的诱导气流，一起进入滤袋内，使滤袋剧烈膨胀，引起冲击振动，并在瞬时内产生由内向外的逆向气流，使附着在滤袋外及吸入滤袋内部的尘粒被吹扫下来，落入灰斗。
3 静电激发型袋除尘器的工作机理
在导电的滤袋和袋笼间间隔布置高压电晕线，这时给电晕线施加电压，即使没有粉尘流动，也会在织物表面产生电场。当气流从底部进入滤袋间后，附着于滤袋上的荷电粉尘又在整个滤袋表面产生电场；静电的主要作用在于电晕线放电后，使粉尘附上足够的电荷（更易穿透的颗粒携带电荷较少），粉尘的带电量及其在滤袋上的排列反映了电激发的效果。实践表明，最适于电除尘器工作的比电阻为 106 ～1011 Ω·cm，而对于激发来说，当比电阻在106 Ω·cm以下时，尘粒导电性能较好，到达滤袋表面立即释放电荷。而且由于静电感应可获得和滤袋同极性的正电荷，当正电荷形成的排斥力大于粉尘的粘附力时，沉积在滤袋上的粉尘脱离滤袋而重返气流。重返气流的粉尘在滤袋上部再次荷电，又被滤袋捕集，最后可能造成滤袋之间的顶部空间粉尘富集，同时使部分滤袋失效。相反，当比电阻高于 1011 Ω·cm时，粉尘在滤袋沉积后，电荷不容易释放，促使粉尘层和滤袋之间出现一个新的电场，这个新的电场一方面使粉尘牢牢地吸附在滤袋表面，不易脱落；另一方面伴随着带电粉尘的不断增加，粉尘层和滤袋之间存在着一个愈来愈强的电场，如果不及时清灰，最后在这个区域的粉尘层空隙中就会出现电离，产生电晕放电。电晕放电产生的电子和负离子被吸向滤袋，正离子被滤袋排斥跑到气流上升空间，这种现象也就是电除尘器运行中出现的反电晕现象。它的出现会严重降低电晕极的激发效果。
当荷电粉尘随气流接近滤袋表面时，使滤袋表面纤维感应带电，在静电力作用下尘粒在纤维表面沉降，所以粉尘的荷电增强了滤袋表面纤维层的过滤效率；在电场力的作用下，微细粉尘在滤袋表面进行了凝并，颗粒粒径增大。沉积在滤袋表面的荷电粉尘，比空气更具导电性，使电场更集中，后来的粉尘粒子不断沉积其上并形成松散的堆积状，因而透气性好，气流通过压力减小。这种沉积形式使反吹气流或其他类型的清灰容易进行。
上述的机理表明，对于低比电阻的粉尘，通过静电激发来提高袋除尘器的功效并不明显。而对于高比电阻的粉尘，附着在滤袋表面的粉尘带电量相对更多，电凝聚和互斥现象更显著，有利于微细粉尘的捕集，阻力更低，但前提是要防止反电晕现象的发生。基于静电激发对粉尘比电阻的敏感性，静电激发的电压选择尤为重要。此外，清灰频率的选择和强度的设置也对静电激发的效果起到一定的控制作用。在满足烟气工况的前提下，对滤料的选择，以毡滤料来看，在无电场时，粉尘在滤料中部纤维比较密的部分形成粉尘层；而在有电场时，由于电场的作用使大部分粉尘停留在表面纤维比较稀的部分，留下较宽缝隙让空气通过。所以，要使外加电场的织物过滤取得最佳效果，滤料应具有纤维较稀的表面层。所以，滤袋纤维的表面性质、导电性能对静电激发的效果影响很大。
4 应用分析
GE能源公司2005年在Alabama Plant Miller 工厂锅炉上使用的一台Max-9TMESFF的数据如下表。
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其电压控制应用了自动电压控制系统SQ300，提高了静电激发的效果，避免了火花放电对滤袋的影响。通过加静电和不加静电的比较，压差减少了3/4；排放浓度减少80%～90%。
从静电激发型袋除尘器的机理和Max-9TMESFF的应用数据来分析，静电激发可以显著地提高袋除尘效率，尤其是减少了呼吸性粉尘（PM2.5）的逃逸；同时，可以在提高袋除尘器气布比的前提下，降低袋除尘器的压差；粉尘在滤袋的布置形式使清灰强度和频率大大降低，提高了滤袋的使用寿命。尤其是对捕集高比电阻粉尘具有的优势来看，在有毒有害物质的回收方面（如利用活性炭吸附汞）具有很大的推广作用。但是，在激发电压的控制选择和设备的大型化，以及降低造价方面还有待探索和实践。所以，此类除尘器在国内的推广和应用还需要一定的时间。
参考文献：
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[4] 嵇敬文，等.电袋结合除尘器技术综述[EB/OL].
[5] 黄斌，等.静电对纤维滤料过滤飞灰颗粒的影响[J].中国电机工程学报， 2006，（12）.
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